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電主軸支座是高速磨削機的關鍵部位，承受著磨削過程中復雜載荷的作用，它的靜、動態(tài)特性直接影響磨削機的磨削精度及其穩(wěn)定性。為了減少設計周期，改變以往經(jīng)驗設計的盲目性，定量分析主軸支架結構強度，增加結構設計的合理性。本文采用Solidworks初步設計主軸支架的三維模型結構，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench來對支架結構進行靜、動態(tài)分析及結構拓撲優(yōu)化。
可靠、準確的結構模型是應用有限元ANSYS Workbench的前提條件之一。在建立模型前，必須根據(jù)安裝位置，功能要求等綜合考慮各部位的結構。本文研究過程中采用專業(yè)的三維繪圖軟件Solidworks中建立主軸支架，對于一些細小特征如倒角、凸臺、螺釘孔等，因為對結構整體的性能影響很小，根據(jù)圣維南原理，對這些細小結構進行了適當?shù)暮喕�。簡化后的模型不會對分析結果產生明顯的影響并且大大的提高了有限元分析效率。圖1為主軸支架簡化后的模型圖。通過Solidworks設置材料為Q235A，得出鑄件質量為200.584kg。
本文選用ANSYS Workbench作為有限元分析軟件，運用AWE(ANSYS Workbench Environment)中有限元分析模塊和優(yōu)化設計模塊。對主軸支架進行模型導入、網(wǎng)格劃分、靜力學分析、模態(tài)分析及拓撲優(yōu)化。
ANSYS Workbench可以和Solidworks軟件完成無縫連接，能夠實現(xiàn)模型傳遞過程中無元素丟失。首先定義材料屬性，電主軸支架的材料為普通碳素結構鋼Q235A，給材料輸入相應的參數(shù)：彈性模量為2.12×1011Pa，泊松比為0.288，密度為7860kg/cm3。然后對電主軸支架進行網(wǎng)格劃分，為了取得更準確的結果，對支架中主軸套筒和安裝部位網(wǎng)格尺寸選10mm，其余部位選20mm，對整個支架采用自動網(wǎng)格劃分，軟件對電主軸安裝套和安裝固定部位采用四面體網(wǎng)格，其他部位采用六面體網(wǎng)格，共包含175498個節(jié)點，107062個元素。劃分后的網(wǎng)格見圖。
電主軸支架在工作過程中主要受到自身重力、電主軸和小磨頭的重力、磨削時砂輪產生的磨削力和相應的扭力。根據(jù)磨削切向力估算公式，本設備采用的主軸電機的功率P=20kW，最高轉速為n=6000r/min，砂輪直徑為D=400mm，設備磨削時砂輪的最低線速度為v=40m/s，所受最大切向磨削力Ft=ηP/v=0.9×20000/40=450（N），則相應的最大法向磨削力為Fn=1800N，最大扭矩T=450×172=77400（N/mm），主軸對套筒的最大壓力為G1=2000N，小磨頭及其安裝架對支架壓力為G=2000N。圖3為受力圖。A-固定約束；B-小磨頭壓力重力；C-電主軸重力；D-磨削力；E-扭矩。圖3主軸支架載荷和約束圖接著對主軸支架的總變形以及應力進行求解。
接著對主軸支架的總變形以及應力進行求解。求解結果顯示最大應力為15.035MPa，出現(xiàn)在固定位置與支架的連接處，主軸支架的材料為普通碳素結構鋼Q235A，屈服強度為235MPa，查表取安全系數(shù)為2.0，則許用應力為117.5MPa，遠大于結果中的最大等效應力，因此主軸支架結構可以滿足強度要求。
圖為總變形云圖及各方向的變形云圖。從變形a圖可以清楚的看出結構最大變形出現(xiàn)在小磨頭安裝端，最大值為0.04446mm。從b、c、d圖可以得出X、Y、Z各方向的最大變形量分別為0.03479mm、0.02128mm、0.02301mm。a.總變形云圖b.X方向變形c．Y方向變形d.Z方向變形圖4變形云圖2.3主軸支架的模態(tài)分析主軸砂輪在工作過程中存在振動不穩(wěn)定性，為了減小磨削過程中砂輪的振動，對電主軸支架進行模態(tài)分析具有重要意義，模態(tài)分析可以確定主軸支架的固有頻率和振型，可以避免共振的發(fā)生。
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